目前（qián），市麵上的3D打印主（zhǔ）要（yào）的材料（liào）包括：塑料、金（jīn）屬、陶瓷和生物材料為主。而（ér）石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀二維材料，它隻有一個（gè）原子層厚度，又叫做單原（yuán）子層石墨。當這些石墨烯層按照一（yī）定的規律“堆積”起來就形成了石墨。今天小編（biān）和大家來談談石墨烯的3D打印（yìn）研究進展。

 

 

說起石墨烯3D打印技術，不得不（bú）提（tí）的是2013年成立的（de）Graphene 3D Lab公司，短短幾年該公司就已開發出導電石墨烯3D打印線材及相關產品，順利上市並收購其母公司Graphene Laboratories在外發行的所有股份。該公司（sī）的成功，顯示出了石墨烯3D打印領域的市場前景。

 

 

 

石墨烯本身的優勢（shì）就是質（zhì）量輕、強度高、導電性好。而石墨烯3D打印目前（qián）主流采用的是擠出式3D打印（extrusion-based 3D printing）技（jì）術，其核心（xīn）與關鍵也正是打（dǎ）印過（guò）程中所用的漿料（或線材），這需要先（xiān）獲取石墨烯及其衍生（shēng）物（氧化石墨烯等），分散於合適的高粘（zhān）度高分子材料或其（qí）他（tā）溶劑中（zhōng）形成漿料並3D打印成所需三維結構，待打印結束後，通過後處理方式（如退火等）提（tí）高石（shí）墨烯的還（hái）原程度（dù）及純度。值得注意的是，上述3D打印過程獲取的往（wǎng）往是石墨烯基複合材料，而添（tiān）加劑會較大程度的影響石墨烯的性能（如機（jī）械強度、導電性等），因此漿料（或線材）的配製方案需要巧妙拿捏，這個配製（zhì）及打（dǎ）印出來的結構在不（bú）同領域通常也有著不同的要求，下（xià）麵針對幾個不同的應用領（lǐng）域舉例說明。

 

1. 機械強度方麵

  

 

 

說到高強度（dù），首先必提的（de）是前段時間（jiān）比較熱門的麻省理工學院Markus Buehler團隊研究結果，他們利用計算機仿真模型對石墨烯的三維結（jié）構進（jìn）行仿真（zhēn），在假（jiǎ）設沒（méi）有缺陷的（de）情（qíng）況下對其強度做出（chū）的結果顯示，該結構的（de）極限拉伸（shēn）強度（2.7GPa）可以（yǐ）比普通鋼鐵高10倍。該團隊利用3D打印製備的石墨烯三維結構（gòu）（如圖3a所示）進一步說明了三維結構及石墨烯（xī）材料的優勢，雖然（rán）該打印的螺旋二十四麵體（Gyroid）結（jié）構體積與實際體積有21個數量級之（zhī）大，但在一定程（chéng）度上仍印證了石墨（mò）烯在該領（lǐng）域的前景。美國勞倫斯·利弗莫爾國（guó）家實（shí）驗（yàn）室Marcus A. Worsley團隊也利用3D打印技術獲得石墨烯微（wēi）晶格氣凝膠（如圖3b所示），該打印的漿料是（shì）將氧化石（shí）墨烯超聲分散於水中，再混入增強劑（如氣相二氧化矽等）獲得，3D打印結束後在氮氣中1050℃ 高（gāo）溫退火處理對氧化石墨烯進行（háng）熱還原，並利（lì）用化學溶劑刻蝕掉二氧化矽等物質以獲得純（chún）石墨烯微晶格氣凝膠，該（gāi）結構與普通塊體石墨烯的機械性能測試結果表（biǎo）明，3D打印的石墨烯更具優勢，楊氏模（mó）量值高一個數量級。

 

2. 電化學儲能（néng）方麵

 

除了高機械性能外，石（shí）墨烯材料其（qí）實已在很多功能器件裏得到應用，一個典型的例子就是電化學儲能器件（主要包括（kuò）電池和超（chāo）級電容器），目前三明治結（jié）構和平麵型結構是兩個主流構型，Graphene 3D Lab公司就推出的3D打印石墨烯材料組裝了三明治結構電（diàn）池（chí）（圖4），但公司沒有透露具體材料參數及打（dǎ）印細節（jiē），據推測該（gāi）電池材料中除石墨烯外，還包括其他具有（yǒu）電（diàn）化學活（huó）性的物質（zhì），而石墨烯起著很重要的電化學及（jí）機械性能增強作用。

 

 

 

在工業界以外，很多科研院所也注意到3D打印技（jì）術（shù）在電池領域的可行性，伊利諾伊（yī）大學香檳分校Shen J. Dillon課題組聯合哈佛大學的Jennifer A. Lewis課題組於2013年（nián）率先利用3D打印技術打印出微型鋰（lǐ）離子電池器件，隨後（hòu）在2016年，馬裏蘭大學的Liangbing Hu課題組注意到了石墨烯在這一領域的優勢（shì），他們通過氧（yǎng）化石墨烯（xī）的引入，獲得石（shí）墨烯-活（huó）性無機材料（磷酸鐵鋰（lǐ）或鈦酸鋰（lǐ））基（jī）複合漿料，同樣地，打印完成後也采用了高（gāo）溫熱（rè）處理將氧（yǎng）化石墨烯進行了還原後處理，所得到的（de）微型電池顯示出不錯的電化（huà）學性能，這主要得益於石（shí）墨烯較高的（de）電導率和比表麵積。可（kě）以看到，科研院所與工業（yè）領域的公司有著不同的關注點，科研人員更多著眼於未來，關注產品的性價比及規模化生產等（děng），比如儲能機理等其（qí）它（tā）特（tè）性在科學（xué）方麵的解釋和探索。

 

3. 高溫加熱器方麵

 

馬（mǎ）裏蘭大學的Liangbing Hu課題組（zǔ）使用3D打印（yìn）技術製備氧化石墨（mò）烯三維結構，通過碳化還原，得到石墨烯基馬蹄形迷你高溫加（jiā）熱器（圖5）。當施加電流在這種加熱器上（shàng）時，該加熱器能夠以超快的速度（小於100毫秒）達到非（fēi）常高的溫度（大約3000 K,），加熱速率可以達到（dào）20,000K/s，而且具（jù）有優越的穩定性（>2000周期，持續保（bǎo）持高溫（wēn）超過一天沒有明顯衰減）。團隊成員介紹（shào）：“沒有一種基於金屬或者陶瓷的熔爐/加熱器（qì）可以達到這樣高的溫度（dù），因為在這樣高的溫度下，大部分的金屬都會溶解，陶瓷（cí）也會分解。” 值得注意是，石（shí）墨烯導熱係（xì）數高（gāo）達5300 W·m-1·K-1，高於碳納米管和金剛石，相信3D打印石墨烯技術在導熱方麵也會很有優勢。

 

 

 

 

4. 生物醫學方麵 

 

由於其（qí）本身較好的機械性能與導電性，石墨烯（xī）材料在生物醫學方（fāng）麵也獨具優勢。美國西北大學Ramille N. Shah和Mark C. Hersam研究組利用擠出式3D打印（yìn）技術打印出石墨烯與一種可降解聚酯（PLG）形成的複合材料（信（xìn）息來源：[6]），由於其獨特的漿料（liào）配方，其中占據較大組分（fèn）的石墨烯（質量分數達75%）讓打印出來的（de）結構（gòu）具有較好的（de）電導和機（jī）械（xiè）性能，而剩下的PLG組分是一種具有生物相容性的材料，能夠保證結構柔韌性和穩（wěn）定性。打印精度可達（dá）100微米以下（打印速度40毫米/秒），打印出來的三維結構被證實可以較穩定的應用於生物醫學方麵，研究團（tuán）隊往打印的（de）石墨烯基支架上注入了幹細胞，最終的（de）結果相（xiàng）當出色。首先，細（xì）胞存活了下來，然後（hòu）繼續分裂、增殖並轉化成類似神經元的細胞.

 

小（xiǎo）結：由於篇幅受限，還有很多（duō）應用領域在此不能一一列舉了。總而言之（zhī），雖（suī）然石墨烯3D打印技術（shù）目前隻是（shì）處於起步的研（yán）究階段，且很

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應用技術解決方（fāng）案。

 

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